CN110794334B - 采用频率模式的通用信号线开短路检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了采用频率模式的通用信号线开短路检测装置及检测方法，其中检测装置包括FPGA、MCU、采样电阻、终端和参考电源，所述FPGA的电源输入端与参考电源的输出端相连，FPGA的IO输出端与采样电阻的输入端相连，所述采样电阻的输出端与终端相连，所述MCU一端与参考电源相连，另一端与采样电阻相连，本发明的信号处理部分采用具有多路AD采样的MCU来实现信号的采集和离散傅里叶运算算法；在将时域信号转换为频率检测以后，只在判断开路时需要使用阈值，信号短路时可以通过频率峰值信号实现检测，设置参数时需要考虑的情况少，参数设置比较简单，检测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及信号检测领域，具体为采用频率模式的通用信号线开短路检测装置及检测方法。
背景技术
信号线的开短路检测目前采用的技术一般是采用电平检测方式，给其中一路信号线加上一个高电平，然后检测每根线上是否出现高电平的情况来判断是否短路，对于信号线开路的检测还需要在回路中接入采样电阻检测电流是否达到设定阈值来判断信号线是否开路。
而且由于信号线的数量越来越多，一根一根检测下来需要耗费的时间也越来越长，而且对于高速信号其电平标准越来越低，实际使用中为了区分开短路的情况，阈值电平的变化范围低于100mv，容易导致误判的情况。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供采用频率模式的通用信号线开短路检测装置及检测方法，本发明的信号处理部分采用具有多路AD采样的MCU来实现信号的采集和离散傅里叶运算算法；在将时域信号转换为频率检测以后，只在判断开路时需要使用阈值，信号短路时可以通过频率峰值信号实现检测，设置参数时需要考虑的情况少，参数设置比较简单，检测精度高。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：采用频率模式的通用信号线开短路检测装置，包括FPGA、MCU、采样电阻、终端和参考电源，所述FPGA的电源输入端与参考电源的输出端相连，FPGA 的IO输出端与采样电阻的输入端相连，所述采样电阻的输出端与终端相连，所述MCU一端与参考电源相连，另一端与采样电阻相连。
优选的，所述MCU包括AD采样端和ADVref采样端，所述MCU的AD采样端与采样电阻的输出端相连，MCU的ADVref采样端与参考电源的输出端相连。
优选的，所述FPGA包括波形生成模块，所述MCU包括AD采样模块，所述终端包括单端终端和差分终端。
本发明还提供了采用频率模式的通用信号线开短路的检测方法，包括以下步骤：
步骤（1）：通过FPGA在每根信号线的输出部分添加波形生成模块输出不同频率的信号波形；
步骤（2）：在采样电阻输出端检测每根信号线的返回信号；
步骤（3）：通过对采集信号进行离散傅里叶变换提取出返回信号的频率信息，与输出的信号波形的频率进行比较，即可判断出是否短路以及哪几根出现短路。
优选的，所述步骤（3）中包括：单端信号和差分信号的检测模式。
优选的，所述单端信号的检测模式包括：通过在信号线输出端接入采样电阻，并采集采样电阻另一端的信号变化，经过离散傅里叶变换提取对应信号的频率和模值数据，来判断开短路。
优选的，所述差分信号的检测模式包括：将采样电阻阻值调为0欧，AD的采样模式更换为差分模式，通过离散傅里叶变换提取对应信号的频率和模值数据来判断开短路。
优选的，对于单端信号具体为，由MCU的ADVref通道采集参考电源电压，FPGA的IO1—IOn输出50Hz、100Hz、nx50Hz的不同频率波形信号，经过采样电阻以后由MCU的AD1—ADn通道采集波形数据，正常情况下采集到的波形数据经过离散傅里叶变换以后在对应频率存在峰值，而且波形数据的峰值比ADVref通道采集到的数据要小，具体差值等于采样电阻值x漏电流值；如果出现信号开路，漏电流为0，波形数据的峰值和ADVref通道采集到的数据一致；如果出现相邻信号的短路，波形数据经过离散傅里叶变换以后会出现2个峰值，如果是对地短路，则采集到的数据为0。
优选的，对于差分信号由于在终端内部已经接入匹配电阻，需要采样电阻更换为0欧电阻，FPGA从IO1、IO3—IOn-1引脚输出n/2组频率信号，并经过匹配电阻以后从IO2、IO4—IOn引脚返回，频率为50Hz、100Hz、（n/2）x50Hz，MCU的AD采样电路工作于差分模式，采集到n/2组波形数据，正常情况下采集到的波形数据经过离散傅里叶变换以后在对应频率存在峰值，如果出现PN短路，AD采集波形数据的数据会较小，如果出现相邻信号的短路，会出现2个模值数据较大的峰值频率；如果出现PN开路，对应信号线频率点的模值数据会接近于输出信号的模值。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通用化的设计，加入了采样电阻，使电路可以应对单端和差分两种信号类型的接口，使其可以应对单端信号和差分信号。
2、本发明的检测精度高，抗干扰能力强，使用方便，参数设置简单。
3、本发明的检测算法和数据采集由MCU实现，一方面提高了采样的速度，可以同时处理更多的信号线，另一方面可以提供灵活的对外接口，方便嵌入到整个系统使用，以及在本发明中加入了波形生成模块和离散傅里叶变换算法，可以通过对频率和幅值两个数值的处理来解决信号线开短路检测的问题。
附图说明
图1是本发明中提供的信号连接关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，本发明提供的采用频率模式的通用信号线开短路检测装置，包括FPGA、MCU、采样电阻、终端和参考电源，其中FPGA的电源输入端与参考电源的输出端相连，FPGA 的IO输出端与采样电阻的输入端相连，采样电阻的输出端与终端相连，MCU一端与参考电源相连，另一端与采样电阻相连；进一步优选，MCU包括AD采样端和ADVref采样端，其中MCU的AD采样端与采样电阻的输出端相连，MCU的ADVref采样端与参考电源的输出端相连；以及FPGA包括波形生成模块，通过波形生成模块和离散傅里叶变换算法，可以实现通过对频率和幅值两个数值的处理来解决信号线开短路检测的问题，MCU包括AD采样模块，一方面提高了采样的速度，可以同时处理更多的信号线，另一方面可以提供灵活的对外接口，方便嵌入到整个系统使用；终端包括单端终端和差分终端，使电路可以应对单端和差分两种信号类型的接口。
基于上述的装置，本发明的工作原理为：采用FPGA在每根信号线的输出部分添加波形生成模块输出不同频率的信号波形，基于时域信号转化为频域信号的方法，同时在采样电阻输出端检测每根信号线的返回信号，对采集信号进行离散傅里叶变换提取出返回信号的频率信息，通过和输出信号的频率进行比较，就可以判断出有没有信号线的短路和哪几根线发生了短路情况。
进一步，由于信号类型包含单端信号和差分两种，本发明做了通用化处理；具体为对于单端信号，线路另一端的设备可以看作一个负载，在信号线上施加频率波形以后，可以通过在信号线输出端接入采样电阻，并采集电阻另一端的信号变化情况，经过离散傅里叶变换以后提取对应信号的频率和模值数据，正常情况下经过采样电阻后会产生一定的衰减，如果其中一路的模值高于其它路的模值，并且和IO输出的模值相等，IO输出的模块由参考电源供电，其模值可以通过ADVref获取，即可判断是出现了开路。对于差分信号，由于在终端内部已经接入匹配电阻，因此采样电阻阻值需调为0欧，AD的采样模式也更换为差分模式，如果出现PN短路，对应信号线频率点的模值数据会很小，如果出现相邻信号的短路，会出现2个模值数据较大的峰值频率。如果出现PN开路，对应信号线频率点的模值数据会接近于输出信号的模值。
由于频率资源极为丰富，信号的处理能力决定了处理的速度，在发明中，通过上述的装置，本发明的信号处理部分采用具有多路AD采样的MCU来实现信号的采集和运算算法的实现。使用频率检测以后，只在判断开路时需要使用阈值，设置参数时需要考虑的情况少，参数设置比较简单。
本发明还公开了采用频率模式的通用信号线开短路的检测方法，包括以下步骤：
步骤（1）：通过FPGA在每根信号线的输出部分添加波形生成模块输出不同频率的信号波形，加入了波形生成模块和离散傅里叶变换算法，可以通过对频率和幅值两个数值的处理来解决信号线开短路检测的问题；
步骤（2）：在采样电阻输出端检测每根信号线的返回信号；
步骤（3）：通过对采集信号进行离散傅里叶变换提取出返回信号的频率信息，与输出的信号波形的频率进行比较，即可判断出是否短路以及哪几根出现短路。
其中，步骤（3）中包括：单端信号和差分信号的检测模式；其中单端信号的检测模式包括：通过在信号线输出端接入采样电阻，并采集采样电阻另一端的信号变化，经过离散傅里叶变换提取对应信号的频率和模值数据，来判断开短路，其中差分信号的检测模式包括：将采样电阻阻值调为0欧，AD的采样模式更换为差分模式，通过对应信号的频率和模值数据变化来判断开短路。
在本发明一优选的实施例中，对于单端信号具体为，由MCU的ADVref通道采集参考电源电压，FPGA的IO1—IOn输出50Hz、100Hz、nx50Hz的不同频率波形信号，经过采样电阻以后由MCU的AD1—ADn通道采集波形数据，正常情况下采集到的波形数据经过离散傅里叶变换以后在对应频率存在峰值，而且波形数据的峰值比ADVref通道采集到的数据要小，具体差值等于采样电阻值x漏电流值；如果出现信号开路，漏电流为0，波形数据的峰值和ADVref通道采集到的数据一致；如果出现相邻信号的短路，波形数据经过离散傅里叶变换以后会出现2个峰值，如果是对地短路，则采集到的数据为0。
在本发明一优选的实施例中，对于差分信号具体为，将采样电阻更换为0欧电阻，FPGA从IO1、IO3—IOn-1输出n/2组频率信号，并经过匹配电阻以后从IO2、IO4—IOn引脚返回，频率为50Hz、100Hz、（n/2）x50Hz，MCU的AD采样电路工作于差分模式，采集到n/2组波形数据，正常情况下采集到的波形数据经过离散傅里叶变换以后在对应频率存在峰值，如果出现PN短路，AD采集波形数据的数据会较小，如果出现相邻信号的短路，会出现2个模值数据较大的峰值频率；如果出现PN开路，对应信号线频率点的模值数据会接近于输出信号的模值。
以下提供本发明一具体的实施方式
实施例1
采用频率模式的通用信号线开短路检测装置，包括FPGA（包含波形生成模块）、MCU（包含AD采样模块）、采样电阻、终端、参考电源，FPGA的电源输入端接参考电源的输出端，FPGA 的IO输出端接采样电阻的输入端，采样电阻的输出端接终端，MCU的AD采样端接电阻的输出端，MCU的ADVref采样端接参考电源的输出端。
工作原理：对于单端信号，由MCU的ADVref通道采集参考电源电压，FPGA的IO1—IOn输出50Hz、100Hz、nx50Hz的不同频率波形信号，经过采样电阻以后由MCU的AD1—ADn通道采集波形数据，正常情况下采集到的波形数据经过离散傅里叶变换以后只在对应频率存在峰值，而且波形数据的峰值比ADVref通道采集到的数据要小，具体差值等于采样电阻值x漏电流值。如果出现信号开路，漏电流为0，波形数据的峰值和ADVref通道采集到的数据一致。如果出现相邻信号的短路，波形数据经过离散傅里叶变换以后会出现2个峰值，如果是对地短路，则采集到的数据基本为0。
对于差分信号，采样电阻更换为0欧电阻，FPGA从IO1、IO3—IOn-1输出n/2组频率信号，并经过匹配电阻以后从IO2、IO4—IOn引脚返回，频率为50Hz、100Hz、（n/2）x50Hz，MCU的AD采样电路工作于差分模式，可以采集到n/2组波形数据，正常情况下采集到的波形数据经过离散傅里叶变换以后也是只在对应频率存在峰值，如果出现PN短路，AD采集波形数据数据会很小，如果出现相邻信号的短路，会出现2个模值数据较大的峰值频率。如果出现PN开路，对应信号线频率点的模值数据会接近于输出信号的模值。
综上所述，本发明采用FPGA在每根信号线的输出部分添加波形生成模块输出不同频率的信号波形，基于时域信号转化为频域信号的方法，同时在采样电阻输出端检测每根信号线的返回信号，对采集信号进行离散傅里叶变换提取出返回信号的频率信息，通过和输出信号的频率进行比较，就可以判断出有没有信号线的短路和哪几根线发生了短路情况。由于信号类型包含单端信号和差分两种，本发明做了通用化处理。对于单端信号，线路另一端的设备可以看作一个负载，在信号线上施加频率波形以后，可以通过在信号线输出端接入采样电阻，并采集电阻另一端的信号变化情况，经过离散傅里叶变换以后提取对应信号的频率和模值数据，正常情况下经过采样电阻后会产生一定的衰减，如果其中一路的模值高于其它路的模值，并且和IO输出的模值相等，IO输出的模块由参考电源供电，其模值可以通过ADVref获取，即可判断是出现了开路。对于差分信号，由于在终端内部已经接入匹配电阻，因此采样电阻阻值需调为0欧，AD的采样模式也更换为差分模式，如果出现PN短路，对应信号线频率点的模值数据会很小，如果出现相邻信号的短路，会出现2个模值数据较大的峰值频率。如果出现PN开路，对应信号线频率点的模值数据会接近于输出信号的模值。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (6)
1.采用频率模式的通用信号线开短路的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤（1）：通过FPGA在每根信号线的输出部分添加波形生成模块输出不同频率的信号波形；
步骤（2）：在采样电阻输出端检测每根信号线的返回信号；
步骤（3）：通过对采集信号进行离散傅里叶变换提取出返回信号的频率信息，与输出的信号波形的频率进行比较，即可判断出是否短路以及哪几根出现短路。
2.根据权利要求1所述的采用频率模式的通用信号线开短路的检测方法，其特征在于，所述步骤（3）中包括：单端信号和差分信号的检测模式。
3.根据权利要求2所述的采用频率模式的通用信号线开短路的检测方法，其特征在于，所述单端信号的检测模式包括：通过在信号线输出端接入采样电阻，并采集采样电阻另一端的信号变化，经过离散傅里叶变换提取对应信号的频率和模值数据，来判断开短路。
4.根据权利要求3所述的采用频率模式的通用信号线开短路的检测方法，其特征在于，所述差分信号的检测模式包括：将采样电阻阻值调为0欧，AD的采样模式更换为差分模式，通过离散傅里叶变换提取对应信号的频率和模值数据来判断开短路。
5.根据权利要求4所述的采用频率模式的通用信号线开短路的检测方法，其特征在于，对于单端信号具体为，由MCU的ADVref通道采集参考电源电压，FPGA的IO1—IOn输出50Hz、100Hz、n*50Hz的不同频率波形信号，经过采样电阻以后由MCU的AD1—ADn通道采集波形数据，正常情况下采集到的波形数据经过离散傅里叶变换以后在对应频率存在峰值，而且波形数据的峰值比ADVref通道采集到的数据要小，具体差值等于采样电阻值*漏电流值；如果出现信号开路，漏电流为0，波形数据的峰值和ADVref通道采集到的数据一致；如果出现相邻信号的短路，波形数据经过离散傅里叶变换以后会出现2个峰值，如果是对地短路，则采集到的数据为0。
6.根据权利要求5所述的采用频率模式的通用信号线开短路的检测方法，其特征在于，对于差分信号由于在终端内部已经接入匹配电阻，需要将采样电阻更换为0欧电阻，FPGA从IO1、IO3—IOn-1引脚输出n/2组频率信号，并经过匹配电阻以后从IO2、IO4—IOn引脚返回，频率为50Hz、100Hz、（n/2）*50Hz，MCU的AD采样电路工作于差分模式，采集到n/2组波形数据，正常情况下采集到的波形数据经过离散傅里叶变换以后在对应频率存在峰值，如果出现PN短路，AD采集波形数据的数据会较小，如果出现相邻信号的短路，会出现2个模值数据较大的峰值频率；如果出现PN开路，对应信号线频率点的模值数据会接近于输出信号的模值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200214 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| RA01 | Restoration of patent right |
Former decision: After the publication of the patent application, it shall be deemed to have been withdrawn Former decision publication date: 20220701 |
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| RA01 | Restoration of patent right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |